Phase field based study of microstructure evolution in solidification of Mo-rich Mo-Si-B alloys

Abstract

During the past decades, the Mo-Si-B alloys have received significant scientific attention since they combine excellent creep behavior and acceptable oxidation resistance at high temperatures. Due to these properties, this class of refractory materials has been considered as potential candidates for high temperature applications such as aerospace engines and the power-generating industries. However, among the scientific research sufficient attention has not been paid to investigate this alloy system numerically. The present Ph.D. thesis deals with the development of phase-field based model to study the solidification behavior of Mo-rich Mo-Si-B alloy compositions including the ternary eutectic composition and near eutectic compositions which tend to form a primary phase during the solidification. In order to develop the model, thermodynamic data published within the literature and thermodynamic database have been considered within the model. The ternary alloy compositions investigated within the model were taken from the so called “ Berczik triangle ” region of the Mo-Si-B system which consist of the molybdenum solid solution phase (MoSS) and the two intermetallic phases Mo3Si and Mo5SiB2. The solidification behavior of the considered alloy compositions was investigated by exploring the microstructure and the sequence of the phase transition reactions during the solidification. The solidification path has been carefully investigated by monitoring the chemical composition of the melt through the temperature reduction. The outcome of the model has been verified with published experimental data within the literature and an acceptable accordance between the simulation results and experimental observations has been noticed. As an outcome of the present work, a phase-field based model has been developed which is capable of simulating the solidification behavior of Mo-rich Mo-Si-B alloy compositions therefore enables the materials designers to investigate the microstructure and phase structure of the Mo-rich Mo-Si-B alloys.

In den letzten Jahrzehnten haben die Mo-Si-B-Legierungen erhebliche wissenschaftliche Aufmerksamkeit erhalten, da sie ein ausgezeichnetes Kriechverhalten und eine akzeptable Oxidation kombinieren Widerstand bei hohen Temperaturen. Aufgrund dieser Eigenschaften wurde diese Klasse feuerfester Materialien als potenziell angesehen Kandidaten für Hochtemperaturanwendungen wie Luft- und Raumfahrtmotoren und die Stromerzeugungsindustrie. In der wissenschaftlichen Forschung wurde jedoch nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt, um dieses Legierungssystem numerisch zu untersuchen. Der vorliegende Ph.D. Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines phasenfeldbasierten Modells zur Untersuchung des Erstarrungsverhaltens von Mo-reichen Mo- Si-B-Legierungszusammensetzungen, einschließlich der ternären eutektischen Zusammensetzung und nahezu eutektischen Zusammensetzungen, die dazu neigen, während der Verfestigung eine Primärphase zu bilden. Um das Modell zu entwickeln, wurden thermodynamische Daten, die in der Literatur und in der thermodynamischen Datenbank veröffentlicht wurden, im Modell berücksichtigt. Die im Modell untersuchten ternären Legierungszusammensetzungen wurden aus der sogenannten “Berczik-Dreieck” -Region des Mo-Si-B-Systems entnommen die aus der festen Molybdänlösungsphase (MoSS) und den beiden intermetallischen Phasen Mo3Si bestehen und Mo5SiB2. Das Erstarrungsverhalten der betrachteten Legierungszusammensetzungen wurde untersucht, indem die Mikrostruktur und die Abfolge der Phasenübergangsreaktionen während der Verfestigung untersucht wurden. Der Erstarrungsweg wurde sorgfältig untersucht, indem die chemische Zusammensetzung der Schmelze durch Temperatursenkung überwacht wurde. Das Ergebnis des Modells wurde mit veröffentlichten experimentellen Daten in der Literatur verifiziert und eine akzeptable Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und experimentellen Beobachtungen festgestellt. Als Ergebnis der vorliegenden Arbeit wurde ein phasenfeldbasiertes Modell entwickelt, das das Erstarrungsverhalten von Mo-reichen Mo-Si-B-Legierungszusammensetzungen simulieren kann und es den Materialdesignern daher ermöglicht, die Mikrostruktur und Phasenstruktur des zu untersuchen Mo-reiche Mo-Si-B-Legierungen.